Pendahuluan Massa Atom Relatif dan Massa Molekul Relatif

1. STOIKIOMETRI

A. Pendahuluan

Istilah stoikiometri berasal dari bahasa Yunani yaitu stoicheon yang berarti unsur element dan metron yang berarti pengukuran measure. Jadi stoikiometri menunjuk pada hubungan kuantitatif antara reaktan dan produk dalam reaksi. Stoikiometri dapat dikatakan pula sebagai hitungan aritmatika ilmu kimia. Pada Parwa ini, sebelum melakukan hitungan kimia, terlebih dahulu akan dibahas tentang massa atom relatif dan massa molekul relatif, dan konsep mol. Secara rinci, setelah membaca Parwa ini diharapkan Sdr dapat menguasai hal-hal sebagaimana diuraikan pada Kompetensi Dasar dan Indikator sebagai berikut ini. Kompetensi Dasar Memahami cara penentuan massa atom dan massa molekul relatif dengan spektrometer massa dan melakukan perhitungan kimia dengan pendekatan faktor konversi serta perhitungan kimia dalam analisis volumetri. Indikator 1. Menghitung massa atom relatif suatu unsur dari kelimpahan relatif isotopnya atau spektrum massanya. 2. Melakukan perhitungan kimia dengan menggunakan konsep mol dalam suatu rumus kimia, persamaan reaksi kimia, dengan pendekatan faktor konversi. 3. Menentukan rumus empiris dan molekul suatu senyawa dari komposisi unsur-unsurnya . 4. Medefinisikan berbagai besaran konsentrasi. 5. Mengubah besaran konsentrasi ke besaran konsentrasi yang lain. 6. Membuat larutan dengan konsentrasi tertentu. 7. Melakukan perhitungan kimia menggunakan volume dan konsentrasi larutan-larutan 8. Melakukan perhitungan volumetri pada titrasi asam-basa 9. Melakukan perhitungan volumetri pada titrasi redoks.

B. Massa Atom Relatif dan Massa Molekul Relatif

Materi adalah segala sesuatu yang mempunyai masa dan volum. Teori atom Dalton mengatakan bahwa bagian terkecil dari materi adalah atom. Atom dengan demikian mempunyai massa. Teori atom Dalton sangat memacu penelitian mencari massa satu atom PSG Rayon 1 24 Universitas Negeri Makassar suatu unsur. Bagaimanakah menentukan massa satu atom suatu unsur dan bagaimanakah satuannya? Ahli kimia John Dalton pertama kali menyarankan massa satu atom hidrogen sebagai satu satuan massa atom. Francis Aston, penemu spektrometer massa, menggunakan 116 dari massa satu atom oksigen-16 sebagai satu satuan massa atom. Sehingga sebelum tahun 1961 ahli fisika mendefinisikan satu satuan massa atom sma the physical atomic mass unit amu sebagai 1⁄16 dari massa satu atom oksigen-16. Namun ahli kimia mendefinisikan satu satuan massa atom sebagai 1⁄16 dari massa rata-rata isotop atom oksigen. Jadi sebelum tahun 1961 ahli-ahli fisika dan ahli-ahli kimia menggunakan simbul sma amu sebagai satu satuan massa atom dengan harga sedikit berbeda. Satuan lama ini kadang-kadang sekarang masih dijumpai dalam literatur ilmiah. Tetapi standar satuan massa atom yang diterima sekarang adalah satuan massa atom yang diseragamkan the unified atomic mass unit dengan simbul u symbol u, dengan: 1 u = 1,0003179 sma amu skala fisika physical scale dan 1 u = 1,000 043 sma amu skala kimia chemical scale. Kedua satuan massa atom terdahulu harganya lebih kecil daripada satuan massa atom yang telah diseragamkan the unified atomic mass unit , yang telah diadopsi oleh IUPAP the International Union of Pure and Applied Physics pada tahun 1960 dan oleh IUPAC the International Union of Pure and Applied Chemistry pada tahun 1961. Sejak tahun 1961, satu satuan massa atom didefinisikan sama dengan seperduabelas 112 dari massa satu atom karbon-12 yang tidak terikat, dalam keadaan diam at rest, dan dalam tahana dasar ground state. Dengan demikian dapat dipahami bahwa massa satu atom larbon-12 adalah tepat 12 u. Berdasarkan keterangan di atas, massa satu atom suatu unsur saat ini ditetapkan dengan membandingkannya terhadap standar tertentu yaitu standar atom karbon-12 dengan massa 12 u tepat. Sehingga istilah yang tepat untuk massa satu atom suatu unsur adalah massa atom relatif dengan simbul A r dengan tanpa satuan. Sesuai dengan standar karbon- 12, maka massa atom relatif suatu unsur adalah massa rata-rata suatu atom unsur berdasarkan kelimpahan nuklidanya, relatif terhadap massa satu nuklida karbon-12 yang tidak terikat, dalam keadaan diam at rest, dan dalam tahana dasar ground state. Adakah hubungan antara massa atom dengan satuan u dengan satuan massa yang telah dikenal yaitu gram ? Massa satu atom karbon-12 ditetapkan 12,00 u tepat dan telah didapatkan bahwa massa satu atom karbon-12 adalah 1,9926786 x 10 23 gram. Dengan demikian seperduabelas dari massa satu atom karbon-12 dalam gram ini sama dengan 1u. PSG Rayon 1 24 Universitas Negeri Makassar Jadi, 1 u = 24 23 10 660566 , 1 10 9926786 , 1 12 1    x gram x x gram. Jadi jelaslah bahwa satuan massa atom ada hubungannya dengan satuan massa yang telah dikenal yaitu gram. Besaran massa dengan demikian mempunyai 2 satuan yaitu u dan gram. Bila membicarakan massa satu atom, satuan yang sering digunakan adalah u. Sebagai contoh massa satu atom karbon adalah 12,00 u. Pada literatur biokimia dan biologi molecular khususnya buku-buku rujukan untuk protein satu satuan massa atom yang digunakan adalah dalton dengan simbul Da. Oleh karena protein adalah molekul yang besar, maka satuannya dinyatakan sebagai kilodaltons, atau kDa. Satu kilodalton sama dengan 1000 dalton. Satuan massa yang diseragamkan u, atau dalton Da atau kadang-kadang disebut juga sebagai satuan massa yang universal universal mass unit, adalah suatu satuan massa yang kecil yang digunakan untuk menyatakan massa atom dan massa molekul. Berdasarkan harga 1 u tersebut, massa atom relatif Ar suatu unsur didefinisikan sebagai bilangan yang menyatakan angkabanding antara massa rata-rata satu atom unsur itu dengan 12 1 massa satu atom karbon-12 yang tidak terikat, dalam keadaan diam at rest, dan dalam tahana dasar ground state. Definisi massa atom relatif itu dapat dituliskan sebagai berikut ini. A r = 12 - karbon atom satu massa x 12 1 unsur atom rata - rata massa Berdasarkan definisi itu dapat dipahami bahwa bila massa rata-rata atom unsur dapat ditentukan, maka massa rata-rata atom unsur itu merupakan A r atom unsur itu. Mengapa massa atom unsur dinyatakan dengan massa rata-rata atom unsur itu? Di alam ini, tidak ada materi yang ukurannya massa sama. Ada materi yang besar dan ada materi yang kecil. Materi yang sejenis pun ukurannya massa dapat tidak sama. Sebagai contoh, telur ayam ada yang besar dan ada yang kecil. Bila ada 2 telur ayam yang ukurannya massa tidak sama maka massa kedua telur ayam itu disebut sebagai massa rata- rata dan yang tentunya dapat ditentukan. Demikian pula bila ada 6 telur ayam massanya masing-masing a gram dan 4 telur ayam massanya masing-masing b gram, maka massa rata- rata ke 10 telur ayam itu dapat ditentukan. Coba tentukan massa rata-rata ke sepuluh telur ayam itu. Atom-atom suatu unsur pun massanya tidak sama. Penentuan massa rata-rata atom suatu unsur tidak sesederhana sebagaimana penentuan massa rata-rata telur ayam. PSG Rayon 1 24 Universitas Negeri Makassar Bagaimanakah penentuan massa rata-rata atom suatu unsur yang merupakan massa atom relatif atom unsur itu?

1. Penentuan massa Atom Relatif dengan Spektometer massa Mass Spectrometer, MS

Massa atom relatif dapat ditentukan dengan menggunakan spektrometer massa. Gambar 1 berikut ini menunjukkan diagram sederhana dari spektrometer massa. Prinsip kerja spektrometer massa adalah sebagai berikut ini. Suatu sampel unsur tertentu diletakkan di ruang penguapan vaporisasi, di tempat itu sampel diuapkan menjadi atom-atom gas. Atom-atom gas tersebut kemudian diionisasikan dengan menggunakan pemanas di ruang ionisasi sehingga atom-atom gas menjadi ion-ion positif. Di ruang akselerasi, ion-ion positif di akselerasi menggunakan medan listrik ke arah plat Y. Medan listrik ini dihasilkan oleh suatu tegangan tinggi di antara plat X dan Y. Ion-ion positif kemudian dibelokkan oleh medan magnet. Ion-ion dengan massa kecil paling mudah dibelokkan dan akan jatuh pada detector mendekati A. Ion-ion dengan massa lebih besar sulit dibelokkan dan jatuh pada detector mendekati B. Hubungan jari-jari gerakan melingkar ion- ion positif dengan angkabanding massa ion positif terhadap muatannya e m adalah : E r H e m 2 2 2  . ……………………………………………….....…. 1.1 Di sini, e m = angkabanding massa partikel terhadap muatannya, H = kekuatan medan magnet, dan E = perubahan voltase untuk mempercepat ion. Gambar 1. Diagram spektrometer massa PSG Rayon 1 24 Universitas Negeri Makassar Persamaan 1.1 menandaskan bahwa e m ion positif berbanding lurus terhadap jari-jari gerakan. Ion positif dengan harga e m berbeda akan menempuh jalan lingkar yang berbeda dan akan jatuh pada detector di tempat yang berbeda. Ion positif dengan e m sama, akan melalui jalan yang sama dan akan jatuh pada detektor di tempat yang sama. Partikel bermuatan yang jatuh pada detektor akan dinetralkan oleh elektron sehingga menimbulkan arus dan dicatat sebagai puncak-puncak pada kertas grafik yang berupa spektra massa dari unsur. Semakin banyak elektron yang diperlukan untuk menetralkan partikel positif, semakin banyak arus yang timbul sehingga puncak yang dihasilkan akan lebih tinggi. Jadi jumlah arus yang diperlukan sebanding dengan jumlah muatan positif partikel. Ketinggian puncak- puncak yang tergambar pada spektra massa menunjukkan kelimpahan ion-ion positif yang ada. Spektra mssa dari unsur dapat dilihat pada Gambar 2. Dalam praktik, detektor ion dijaga dalam posisi tepat. Medan magnet divariasi sehingga ion-ion dengan massa yang berbeda tiba pada detektor pada waktu yang berbeda. Suatu pompa diperlukan dalam spectrometer massa untuk mempertahankan kevakuman di bagian dalam spektrometer massa karena setiap molekul udara yang masih ada di bagian dalam akan menghalangi gerakan dari ion-ion. Dalam praktik, komputer juga akan mencetak massa tiap atom suatu unsur dengan tepat beserta kelimpahannya masing-masing. Dengan spektrometer massa dapat ditentukan bahwa suatu unsur mempunyai Gambar 2. Spektra massa unsur besi massa relatif me k e li m p a h a n 53 54 55 56 57 58 59 PSG Rayon 1 24 Universitas Negeri Makassar atom yang massanya berbeda. Atom- atom unsur yang sama, yang massanya berbeda itu yang dikenal dengan isotop. Isotop besi yang diproleh dengan spektrometer mass dapat dilihat pada Tabel 1. Informasi pada Tabel 1 dapat digunakan untuk menghitung massa atom relatif A r dari besi. A r besi = 100 kelimpahan x Fe relatif massa kelimpahan x Fe relatif massa kelimpahan x Fe relatif massa kelimpahan x Fe relatif massa 58 57 56 54    = 100 33 , 93 , 57 19 , 2 94 , 56 7 , 91 94 , 55 82 , 5 94 , 53 x x x x    = 55,8 Apakah artinya massa atom relatif besi yang 55,8 terhadap massa satu atom karbon- 12 ?. Massa rata-rata atom besi relatif terhadap karbon-12 adalah 55,8 yang berarti bahwa rata-rata satu atom besi mempunyai massa 00 , 12 8 , 55 atau 4,65 kali massa satu atom karbon-12. Penurunan hubungan : E r H e m 2 2 2  . Energi kinetik ½mv 2 ion positif yang dihasilkan dalam spektrometer massa ditentukan oleh voltase E yang digunakan untuk mempercepat ion tersebut dan muatan ion e. ½mv 2 = Ee 1.2 Gerakan ion positif dalam spektrometer massa disimpangkan oleh medan magnet sehingga gerakanya melingkar dengan jari-jari r. Gaya interaksi f antara medan magnit dengan muatan ion yang bergerak berhubungan langsung dengan kekuatan medan magnit H, besar muatan ion e, dan kecepatan ion v. f magnet0 = Hev 1.3 Gaya sentrufigal ion karena cenderung tetap pada gerakan lurusnya berbanding lurus dengan massanya dan kuadrat kecepatannya dan berbanding terbalik terhadap jari-jari Tabel 1 Massa Relatif Isotop dan Kelimpahan Unsur Besi Isotop Massa Relatif Isotop Persentase Kelimpahan 54 Fe 53.9396 5.82 56 Fe 55.9349 91.66 57 Fe 56.9354 2.19 58 Fe 57.9333 0.33 PSG Rayon 1 24 Universitas Negeri Makassar simpangan r. F sentrufugal = r mv 2 1.4 Kedua gaya f ini sama karena ion bergerak melalui medan magnet. Hev = r mv 2 1.5 Dari persamaan 1.2 dan 1.5 diperoleh masing-masing harga v dan harga v dari kedua persamaan ini sama. m Ee m Her 2  Kedua sisi dikuadratkan, m Ee m r e H 2 2 2 2 2  Akhirnya diperoleh ; E r H e m 2 2 2  . 2 Massa Molekul Relatif Molekul-molekul zat yang dianalisis dengan menggunakan spektrometer massa akan menghasilkan juga ion-ion positif. Ion-ion positif menghasilkan spektrum massa dari ion-ion positip. Spektrum massa molekul-molekul mengandung 2 tipe garis yaitu suatu garis yang menunjukkan massa molekul keseluruhan. Garis ini memberikan massa relatif yang paling besar, dan menunjukkan massa molekul relatif molekul yang bersangkutan. Garis-garis yang lain adalah garis yang menunjukkan pecahan-pecahan fragmen dari molekul molekul. Pecahan-pecahan ini dihasilkan pada saat molekul-molekul pecah di dalam spektrometer massa. Spektrum massa dari etanol ditunjukkan pada Gambar 3. Garis dengan massa paling besar yaitu 46 adalah menunjukkan molekul keseluruhan. Oleh karena itu massa molekul relatif dari etanol adalah 46. Garis ini memiliki kelimpahan yang sangat kecil karena sebagian besar molekul telah pecah menjadi fragmen-fragmen di dalam spektrometer massa. Pecahan- pecahan fragmen dari molekul-molekul etanol, dihasilkan ketika molekul-molekul etanol pecah di ruang ionisasi. Fragmen-fragmen terbentuk ketika satu atau lebih ikatan kovalen pecah dan pemecahannya dapat dilihat pada Tabel 2. Jika satu dari unsur-unsur pembentuk molekul mempunyai 2 isotop atau lebih, maka garis yang muncul pada spektra massanya lebih dari satu garis. Sebagai contoh adalah PSG Rayon 1 24 Universitas Negeri Makassar spektrum massa dari Bromometana, CH 3 Br yang ditunjukkan oleh Gambar 4. Karbon hampir semuanya adalah 12 C dan hidrogen hampir semuanya adalah 1 H. Tetapi bromin terdiri dari 79 Br dan 81 Br yang jumlahnya kira-kira sama. Oleh karena itu spektrum massa bromometana terdiri dari 2 garis yang disebabkan oleh CH 3 Br + dan massa relatifnya dapat dilihat pada Tabel 3. Penentuan massa molekul relatif dari suatu molekul dengan menggunakan spectrometer massa diperuntukkan bagi molekul yang belum diketahui rumusnya. Apabila molekul telah diketahui rumusnya maka massa molekul relatif merupakan jumlah massa atom relatif dari atom- atom di dalam rumusnya. Hal ini sesuai dengan hukum kekekalan massa dari atom-atom yaitu atom-atom yang bergabung membentuk molekul, massa atom relatifnya tidak berubah. Istilah massa molekul relatif hanya tepat untuk massa relatif me ke li m p ah an CH 3 CH 2 + CH 3 CH + 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 CH 3 OH + CH 3 CH 2 O + CH 3 CH 2 + OH - molekul keseluruhan Gambar 3. Spektra massa etanol Massa relatif me Keli mpa han 96 94 Gambar 4: Spektrum massa dari CH 3 Br Tabel 3: Massa relatif Ion CH 3 Br Ion dalam spektrum massa Massa relative 12 C 1 H 3 79 Br + 12 C 1 H 3 79 Br + 94 96 PSG Rayon 1 24 Universitas Negeri Makassar senyawa kovalen. Tidak tepat untuk senyawa ion kerena molekulnya terdiri dari ion-ion. Seperti senyawa NaCl baik padatannya maupun lelehannya terdiri dari ion natrium dan ion klorida, sehingga tidak tepat disebut molekul natrium klorida. Untuk senyawa ion, massa molekul relatifnya disebut massa rumus relatif dengan lambang sama yaitu M r . Istilah massa rumus relatif lebih luas pengertianya karena dapat digunakan baik untuk senyawa ion maupun senyawa kovalen. Dengan demikian massa rumus relatif untuk kalsium klorida, CaCl 2 adalah 1 A r Ca + 2A r Cl = 140,1 + 235,5 = 111.1. Untuk molekul etana, C 2 H 6 massa molekul relatifnya adalah 2A r C + 6A r H = 212 + 61 = 30. Berdasarkan massa molekul relatif suatu molekul atau massa rumus relatif suatu rumus senyawa, dapat dipahami bahwa perbandingan massa atom-atom penyusun suatu molekul atau perbandingan massa ion-ion penyusun suatu rumus senyawa sesuai dengan perbandingan massa atom relatifnya dan perbandingan ini tetap ingat hunum perbandingan tetap atau hokum Proust. Dengan demikian perbandingan massa C : H dalam etana adalah 212 : 61 Tabel 2 Hasil fragmen dari molekul Etanol Ikatan yang putus ditunjukkan dengan tanda panah Fragmen yang dihasilkan pada spektrum massa Massa relatif 45 31 29 28 PSG Rayon 1 24 Universitas Negeri Makassar = 24 : 6 = 4 : 1. Persentase tiap atom penyusun suatu enyawa dengan demikian dapat detentukan mengunakan rumus berikut ini. 100 M relatif tom a atommass jumlah senyawa dalam ion atau unsur r   …..1.6 Dengan demikian karbon dalam etana adalah 80 100 30 24  

C. Konsep Mol.